电子测量及仪器课件 第六章 元器件测量及仪器1

1、第6章 电子元器件测量与仪器 1第第6章章 电子元器件测量与仪器电子元器件测量与仪器 集中参数元件的测量集中参数元件的测量:电阻、电感、电容、电阻、电感、电容、阻抗品质因数阻抗品质因数Q Q及损耗因数及损耗因数D D 的测量。的测量。集中参数元件的测量方法：集中参数元件的测量方法： 伏安法：欧姆定律伏安法：欧姆定律 电桥法：直流电桥、交流电桥电桥法：直流电桥、交流电桥 谐振法：谐振法： Q表表晶体管、场效应管等器件的测量：晶体管特性图示仪晶体管、场效应管等器件的测量：晶体管特性图示仪。 第6章 电子元器件测量与仪器 2RLR图图6.1 实际电阻器的等效电路实际电阻器的等效电路(a)(b)RCS

2、CCRCP图图6.2 实际电容器的等效电路实际电容器的等效电路Dx=tan=RCS/XC=CRCS Dx=tan= XC/RCP =1/CRCPQ=XL/RLS=L/RLSQ=RLP/XL= RLP/L集中参数元件的等效集中参数元件的等效第6章 电子元器件测量与仪器 36.2 伏安法及数字化测量伏安法及数字化测量6.2.1 伏安法伏安法仅适用于低频测量，比较适合直流电阻的测量。仅适用于低频测量，比较适合直流电阻的测量。 Z=U/I1）、当测量直流电阻时，电源为直流电源）、当测量直流电阻时，电源为直流电源2）、当测量电容、电感时，电源为角频率为）、当测量电容、电感时，电源为角频率为的交流电源的交

3、流电源图图6.4 伏安法测量原理图伏安法测量原理图A电源电源Z(a)V(b)A电源电源ZV第6章 电子元器件测量与仪器 4由电容、电感等效电路的分析可知，二者都可以等效为电阻由电容、电感等效电路的分析可知，二者都可以等效为电阻与电抗的串联，即阻抗的模值为与电抗的串联，即阻抗的模值为Z,在忽略损耗电阻影响的情在忽略损耗电阻影响的情况下，存在以上关系况下，存在以上关系。 XXRZIU22CX1CIULUICXL=L第6章 电子元器件测量与仪器 56.2.2 阻抗的数字化测量阻抗的数字化测量 -电压的数字化测量来实现电压的数字化测量来实现 1)正弦信号在被测阻抗两端产生交流电压正弦信号在被测阻抗两端

4、产生交流电压 2)同步滤波器，对电压实部和虚部进行分离同步滤波器，对电压实部和虚部进行分离 3)峰值检波器，交流峰值检波器，交流-直流直流 1. 电感元件的测量电感元件的测量 图图6.5为电感为电感-电压（电压（L-V）变换器原理图。图中左半部分）变换器原理图。图中左半部分为阻抗为阻抗-电压变换部分；同步检波器实现实部、虚部分离；峰电压变换部分；同步检波器实现实部、虚部分离；峰值检波器完成交值检波器完成交-直流电压变换，并提供基准电压。直流电压变换，并提供基准电压。U1、U2、 Ur都要送到电压表双积分式都要送到电压表双积分式A/D变换器。变换器。第6章 电子元器件测量与仪器 6经过分析得到：

5、经过分析得到： （6-2） （6-3） 分析式（分析式（6-2）、（）、（6-3）可见，因为）可见，因为Ur、R1均为常数，只要均为常数，只要利用双积分式数利用双积分式数字多用表测出字多用表测出U1、U2来，即可换算出来，即可换算出Rx、Lx及及Qx的大小的大小来。来。 x1r1RRUUx1r2LRUUur + 运放同步检波器同步检波器ur峰值检波器峰值检波器R1RxLxUoU1U2Ur图图6.5 电感电感电压变换器电压变换器同步检波器同步检波器jur Urcost第6章 电子元器件测量与仪器 7 2. 电容元件的测量电容元件的测量 图图6.6为电容为电容-电压电压变换器的阻抗变换器的阻抗交流

6、变交流变换部分，其他部分与电换部分，其他部分与电感感电压变换器的结构电压变换器的结构相似。利用上述方法，相似。利用上述方法，可得：可得：U2=R1UrCx 由此可见，也可以利用数字多用表来实现由此可见，也可以利用数字多用表来实现Cx、Rx及及Dx的的测量测量。 图图6.6 电容电容-电压变换器电压变换器 + + AurR1RxCxUorX11URRU第6章 电子元器件测量与仪器 8 3. LCR参数测试仪参数测试仪 图图6.7为为LCR参数测试仪参数测试仪原理图。经分析得知：原理图。经分析得知： （） （S） 式中，式中，R为等效串联电阻；为等效串联电阻；X为等效串联电抗；为等效串联电抗；G为

7、等效并联为等效并联电导；电导；B为等效并联电纳。为等效并联电纳。 + 运放f正弦交流 +Rs图图6.7 LCR参数测试仪原理图参数测试仪原理图iUYZ 或oUssioRYZRUU)(soijXGRUUjXRIUZjBGUIY第6章 电子元器件测量与仪器 9由上述分析可见，只要先测出由上述分析可见，只要先测出 和和 ，再把，再把 和和 同步同步整流并分解出实部和虚部，进而计算出上式中整流并分解出实部和虚部，进而计算出上式中R，X，G，B，最后以数字形式显示出被测元件最后以数字形式显示出被测元件R，L L，C C，D，Q等参数。等参数。测量线圈或电容时，可以选择它们的串联等效电路或并联测量线圈或电

8、容时，可以选择它们的串联等效电路或并联等效电路来进行测量。一般来说，对小容量电容和高阻抗线圈，等效电路来进行测量。一般来说，对小容量电容和高阻抗线圈，采用并联等效电路测量，而对电解电容等大容量电容或小阻抗采用并联等效电路测量，而对电解电容等大容量电容或小阻抗线圈采用串联等效电路进行测量。线圈采用串联等效电路进行测量。iUoUiUoU第6章 电子元器件测量与仪器 10 6.3 电桥法测量集中参数元件电桥法测量集中参数元件-适合低频阻抗元件的测量。适合低频阻抗元件的测量。利用零指示器作为电桥平衡指示器利用零指示器作为电桥平衡指示器.电桥平衡时，各桥臂之间的关系确定被测量。电桥平衡时，各桥臂之间的关

9、系确定被测量。该方法的工作频率较宽，测量精度较高，可达该方法的工作频率较宽，测量精度较高，可达10-46.3.1 交流电桥交流电桥 1. 工作原理工作原理 图图6.8为交流电桥原理图，主要由桥体、电源为交流电桥原理图，主要由桥体、电源G及平衡指及平衡指示器示器P等组成。桥体由等组成。桥体由Z1、 Z2、 Z3 、Zx四个桥臂组成，桥臂四个桥臂组成，桥臂由电阻和电抗元件组成。电源为纯正弦交流电源。当由电阻和电抗元件组成。电源为纯正弦交流电源。当IP=0时，时，电桥处于平衡状态，电桥平衡条件如下电桥处于平衡状态，电桥平衡条件如下：或312xZZZZ)(31)(2x312xjjeZZeZZ第6章 电

10、子元器件测量与仪器 11 即即(6-4)x+2=1+3 (6-5) 要使交流电桥完全平衡，必须同时满足式（要使交流电桥完全平衡，必须同时满足式（6-4）和式（）和式（6-5），），即振幅平衡条件和相位平衡条件。即振幅平衡条件和相位平衡条件。当相邻两桥臂为纯电阻时，另外两个桥臂应呈现同性电抗；当某当相邻两桥臂为纯电阻时，另外两个桥臂应呈现同性电抗；当某一对角桥臂为纯电阻时，另外一对角桥臂一对角桥臂为纯电阻时，另外一对角桥臂应呈现异性电抗；当两个桥臂由纯电阻构应呈现异性电抗；当两个桥臂由纯电阻构成时，呈现电抗特性的桥臂必须由标准可成时，呈现电抗特性的桥臂必须由标准可调电阻和电抗件构成，该电抗件一般

11、选用调电阻和电抗件构成，该电抗件一般选用标准可调电容。标准可调电容。当当Z1、Z2为纯电阻为纯电阻R1、R2时，满足关系：时，满足关系： （6-6） 312xZZZZ321xZRRZ第6章 电子元器件测量与仪器 12当当Z1、Z2为纯电阻为纯电阻R1、R2时，满足关系：时，满足关系： （6-6） 当当Z1、Z3为纯电阻为纯电阻R1、R3时，满足关系：时，满足关系：（6-7）由式（由式（6-6）和式（）和式（6-7）得，当两个邻臂为纯电阻时的电桥）得，当两个邻臂为纯电阻时的电桥称为臂比电桥，它比较适于测量电容；当两个相对桥臂为纯电称为臂比电桥，它比较适于测量电容；当两个相对桥臂为纯电阻时的电桥称

12、为臂乘电桥，它比较适于测量电感。阻时的电桥称为臂乘电桥，它比较适于测量电感。交流电桥的电源必须为纯正弦波交流电源，交流电桥也只交流电桥的电源必须为纯正弦波交流电源，交流电桥也只适合在音频或低射频段使用，高频段的测量适合选用谐振法。适合在音频或低射频段使用，高频段的测量适合选用谐振法。231xZRRZ321xZRRZ第6章 电子元器件测量与仪器 13例例6-1 图图6.9(a)为测量低为测量低Q电感的麦克斯韦电桥桥体，试电感的麦克斯韦电桥桥体，试求求Rx、Lx、Qx各是多少各是多少？ 解：解： 该交流电桥平衡条件为：该交流电桥平衡条件为： 经推导，得：经推导，得：Rx=R1R2/RsLx=R1R

13、2Cs Qx=Lx/Rx=RsCs SSxx2111)(CjRLjRRR第6章 电子元器件测量与仪器 14 例例6-2 图图6.9(b)为测量高为测量高Q电感的海氏电桥桥体，试求电感的海氏电桥桥体，试求Rx、Lx、Qx各是多少？各是多少？ 解：解： 该交流电桥平衡条件为：该交流电桥平衡条件为： 经推导，得：经推导，得：Rx=R1R2/RSLx=R1R2CS xxxxSS21)1(LjRRLjCjRRRSSx1CRQ第6章 电子元器件测量与仪器 15 例例6-3 右图为测量低损耗电容的串联电阻式比较电桥桥右图为测量低损耗电容的串联电阻式比较电桥桥体，试求体，试求Rx、Cx、Dx各是多少？各是多少

14、？ 解：解： 该交流电桥平衡条件为：该交流电桥平衡条件为：经推导，得：经推导，得： Dx=CxRx=RsCs S21xRRRRS12xCRRCxx2SS111CjRRCjRR第6章 电子元器件测量与仪器 16例例6-4右图为测量高损耗电容的并联右图为测量高损耗电容的并联电阻式比较电桥桥体，试求电阻式比较电桥桥体，试求Rx、Cx、Dx各是多少？各是多少？ 解：解： 该交流电桥平衡条件为：该交流电桥平衡条件为： 经推导，得：经推导，得：xx2SS111CjRRCjRRS12xCRRC SSx1CRD第6章 电子元器件测量与仪器 172. QS18A型万用电桥型万用电桥（1）组成）组成QS18A型万

15、用电桥是一种便携型万用电桥是一种便携式交流电桥，主要用于测量电式交流电桥，主要用于测量电阻、电感、电容等参数。其组成阻、电感、电容等参数。其组成如图如图6.11所示，主要由桥体、信所示，主要由桥体、信号源（号源（1kHz）和晶体管检流计三）和晶体管检流计三部分组成。桥体是电桥的核心部分，实际上是由直流电部分组成。桥体是电桥的核心部分，实际上是由直流电桥、交流电容电桥及电感电桥组合而成。使用时，通过变换桥、交流电容电桥及电感电桥组合而成。使用时，通过变换开关进行切换，以实现不同参数或量程的测量。开关进行切换，以实现不同参数或量程的测量。（2）测量电容）测量电容选频放大与整流1kHz振荡器或9V直

16、流电源桥体P图图6.11 QS18A型万用电桥组成框图型万用电桥组成框图第6章 电子元器件测量与仪器 18测量电容时，桥体连接成如图测量电容时，桥体连接成如图6.12所示的形式。所示的形式。Cx、Rx分别为被测电容的容量、串联等效电阻阻值，分别为被测电容的容量、串联等效电阻阻值，R2由标准粗调、由标准粗调、细调电阻器组成。调节桥体中可调电阻器使电桥平衡，根据细调电阻器组成。调节桥体中可调电阻器使电桥平衡，根据电桥平衡条件，可导出：电桥平衡条件，可导出： 由此可知，在量程确定的情况下，只要由此可知，在量程确定的情况下，只要C2保持不变，可保持不变，可以通过调节以通过调节R3使电桥平衡。其中，使电

17、桥平衡。其中，Cx、Rx、Dx可由有关度盘可由有关度盘读出数值。读出数值。231xRRRR 213xCRRC 22xCRDRxCxR1R3R2C2图6.12 测量电容原理图第6章 电子元器件测量与仪器 19（3）测量电感）测量电感测量电感时，桥体连接如图测量电感时，桥体连接如图6.13所示。所示。Lx、Rx分别是被测分别是被测电感的电感量、串联等效损耗电阻。当电桥平衡时有：电感的电感量、串联等效损耗电阻。当电桥平衡时有： Lx=R1R2C3 Qx=C3R3（4）使用方法）使用方法图图6.14为为QS18A型万用电桥面板结构图。型万用电桥面板结构图。面板上各开关旋钮的作用如下：面板上各开关旋钮的

18、作用如下：被测元件接线柱被测元件接线柱 用于连接被测元件。用于连接被测元件。外接插孔外接插孔 用于外接音频电源用于外接音频电源。231xRRRR RxLxR1R3R2C3图6.13 测量电感原理图第6章 电子元器件测量与仪器 20外外-内内1kHz选择开关，用于选择电桥工作电源。选择开关，用于选择电桥工作电源。量程开关，确定测量范围，各示值是指电桥读数在满量程开关，确定测量范围，各示值是指电桥读数在满刻度时的最大值。刻度时的最大值。uA读数内1kHz外图图6.14 QS18A型万用电桥面板结构图型万用电桥面板结构图121110第6章 电子元器件测量与仪器 21损耗微调旋钮，用于细调平衡时的损耗

19、，一般情况下损耗微调旋钮，用于细调平衡时的损耗，一般情况下置于置于“0”位置。位置。 损耗倍率选择开关，损耗倍率选择开关，分为三挡：分为三挡：Q1，D0.1，D1。根据不同情况，按。根据不同情况，按照表照表6-1选择合适挡位。测选择合适挡位。测量电阻时，该开关不起作用。量电阻时，该开关不起作用。 指示电表，用于指示电桥的平衡状态。当电桥平衡时，指示电表，用于指示电桥的平衡状态。当电桥平衡时，电表指示为零。电表指示为零。 接地。接地。 灵敏度调节旋钮，用于控制电桥放大器的放大倍数灵敏度调节旋钮，用于控制电桥放大器的放大倍数。表表6-1倍率开关位置倍率开关位置测量元件位置空心电感线圈Q1高Q值线圈

20、和小损耗电容D0.1（Q=1/D）带铁心线圈和大电解电容D1（Q=1/D）第6章 电子元器件测量与仪器 22开始测量时，应降低灵敏度，随后再逐渐增大。开始测量时，应降低灵敏度，随后再逐渐增大。读数调节旋钮（读数盘）读数调节旋钮（读数盘） 用于调节电桥的平衡状态，用于调节电桥的平衡状态，由粗调和细调组成。由粗调和细调组成。 损耗平衡调节旋钮损耗平衡调节旋钮 用于指示被测元件（电容或电感）用于指示被测元件（电容或电感）的损耗因数或品质因数。的损耗因数或品质因数。 测量选择开关测量选择开关 用于确定电桥的测量内容。测量完毕，用于确定电桥的测量内容。测量完毕，此开关应置于此开关应置于“关关”位置，以降

21、低机内干电池的损耗。位置，以降低机内干电池的损耗。 使用方法如下：使用方法如下：将被测元件接到将被测元件接到“被测元件接线柱被测元件接线柱”，拨动电源选，拨动电源选择开关至择开关至“内内1kHz”位置，如果用外部电源，则将外部电源位置，如果用外部电源，则将外部电源接到接到“外接外接”插孔上，拨动电源选择开关至插孔上，拨动电源选择开关至“外外”的位置。的位置。根据被测量，将测量选择开关旋至根据被测量，将测量选择开关旋至“C”、“L”、“R10”1211第6章 电子元器件测量与仪器 23或或“R10”处。处。估计被测量的大小，选择量程开关的位置。估计被测量的大小，选择量程开关的位置。根据被测元件的

22、情况，按照表根据被测元件的情况，按照表6-1选择合适的损耗倍率选择合适的损耗倍率开关挡位。开关挡位。根据电桥平衡情况，调整灵敏度调节旋钮使指示电表根据电桥平衡情况，调整灵敏度调节旋钮使指示电表读数由小逐步增大。读数由小逐步增大。反复调节电桥的读数盘和损耗平衡旋钮，并在调整过反复调节电桥的读数盘和损耗平衡旋钮，并在调整过程中逐步提高指示电表的灵敏度直至电桥平衡。此时存在如程中逐步提高指示电表的灵敏度直至电桥平衡。此时存在如下关系：下关系：Lx（或（或Cx）=量程开关指示值量程开关指示值电桥读数盘示值电桥读数盘示值Qx（或（或Dx）=损耗倍率指示值损耗倍率指示值损耗平衡盘指示值损耗平衡盘指示值 第

23、6章 电子元器件测量与仪器 24例例6-5 用用QS18A型万用电桥测量线圈的电感量型万用电桥测量线圈的电感量Lx及及Qx值，值，当电桥平衡时，左边读数盘（粗调）示值为当电桥平衡时，左边读数盘（粗调）示值为0.6，右边读，右边读数盘（细调）示值为数盘（细调）示值为0.028，量程开关在，量程开关在100mH挡上，损耗倍挡上，损耗倍率开关在率开关在Q1挡上，损耗平衡盘读数为挡上，损耗平衡盘读数为3.5，求被测电感，求被测电感Lx和和品质因数品质因数Qx。解：解： 由由QS18A型万用电桥的使用方法介绍，可知：型万用电桥的使用方法介绍，可知： Lx= (0.6+0.028)100mH=62.8mH

24、 Qx=13.5=3.5 答：（略）答：（略） 第6章 电子元器件测量与仪器 256.3.2 不平衡电桥不平衡电桥 依据电桥平衡条件进行测量的电桥称为平衡电桥，它的依据电桥平衡条件进行测量的电桥称为平衡电桥，它的操作繁琐、测量时间长，平时所说的电桥通常是指平衡电桥。操作繁琐、测量时间长，平时所说的电桥通常是指平衡电桥。不平衡电桥是通过直接测量电桥非平衡状态下流经指示器的不平衡电桥是通过直接测量电桥非平衡状态下流经指示器的电流或两端电压大小来测量集中参数元件的，它的操作简便、电流或两端电压大小来测量集中参数元件的，它的操作简便、测量时间短、易实现数字化测量。测量时间短、易实现数字化测量。 1. 测量电阻测量电阻 图图6.15为新型不平衡电桥测量电阻的电路图，图中为新型不平衡电桥测量电阻的电路图，图中 经推导，得知：经推导，得知： BDABoUUU第6章 电子元器件测量与仪器 26R2RRRRRXABCDUABUBDR1R1R3R3R2R4R4Uo除除法法电电路路N1N2DVM图图6.15 新型不平衡电桥测量